Genetica

Introduzione genetica

Disciplina scientifica che studia l’eredità dei caratteri, come vengono trasmessi i caratteri da

una generazione all’altra. Campo molto vasto che interagisce con altre discipline, divisa in

tre grandi aree: generica classica o formale, genetica molecolare (determinazione della

funzione di un gene sulla base della sequenza di dna), genetica di popolazione.

La parola fu applicata per descrivere lo studio dell'ereditarietà e la scienza delle variazioni

dallo scienziato inglese William Bateson in una lettera ad Adam Sedgewick, datata 18 aprile

1905. “La genetica è la scienza che studia l’eredità e la variazione cercando di scoprire le

leggi che governano le somiglianze e le differenze negli individui che sono in rapporti di

discendenza.”

(William Bateson, 1906). Dall’antichità, gli individui hanno cercato somiglianze fra avi e

generazioni future, sia per quanto concerne la popolazione umana che quella animale (es.

allevamento o agricoltura)

Da Lucrezio: Avviene anche talora che possano nascere figli simili agli avi, e spesso

riproducano gli aspetti dei bisavoli, perché spesso i genitori celano nel proprio corpo molti

principi mescolati in molti modi, che, provenienti dal ceppo originario, son trasmessi da

padri ad altri padri: così Venere con varia sorte forma gli aspetti e riproduce i volti e le voci e

i capelli degli antenati; giacché questi sono creati in noi ‹da› semi determinati, non meno che

le facce e i corpi e le membra.

Tappe fondamentali

1866: Studi di Gregor Mendel

Studi sull’eredità dei caratteri nel pisello

●​

​ odoroso

Utilizzo di numeri e calcoli matematici

●​ Definizione di «fattori» o «entità»

●​

​ indivisibili responsabili dell’ereditarietà dei

​ caratteri

Definizione di forme alternative di questi

●​

​ fattori

I suoi lavori non sono stati presi subito in

●​

​ considerazione, ma sono poi stati rivalutati all’inizio del XX secolo

Cromosomi e DNA

1902: Walter Sutton ritiene che le «entità» si

●​ 1

​ trovino sui cromosomi

primi decenni del ’900. Thomas H. Morgan, che

●​

​ lavorò su Drosophila melanogaster, dimostra la teoria cromosomica dell’eredità, che

​ localizza i geni sui cromosomi

1953: Watson e Crick determinano la struttura del DNA

●​

Funzione dei geni

inizi del Novecento, il medico Archibald Garrod

●​

​ indica una familiarità per specifiche alterazioni

​ di funzioni metaboliche, quali l’alcaptonuria

1941: George Beadle ed Edward Tatum, grazie allo studio della muffa del pane

●​ Neurospora crassa assegnano geni una specifica funzione enzimatica, per cui “un

gene-un enzima”, che dominò la Genetica per molti anni.

anni ‘40-’60: alcuni geni codificavano proteine

●​

​ che non avevano una funzione enzimatica, come l’emoglobina

Genetica molecolare

Dagli anni ’50, la genetica si trasforma da scienza descrittiva a scienza molecolare

●​ Gli studi sono condotti per lo più su microorganismi

●​ Decodifica del codice genetico

●​ Studio della regolazione

●​ 2

Organizzazione, riproduzione cellulare e

cromosomi

Cellula procariote

Uno degli scopi fondamentali è la divisione della cellula procariote. La divisione dei batteri è

diversa, per scissione binaria, producendo cellule identiche, cloni, che hanno lo stesso dna

della cellula di partenza, formando una colonia. Il dna si duplica, grazie all’ancoraggio di

membrana migrano verso le due estremità. Si forma un setto tra le due cellule che porta alla

separazione definitiva delle due cellule. Il tempo varia a seconda da della specie. (E. Coli

circa 20 minuti).

Cellula eucariote

Le sue dimensioni in media sono molto più grandi della cellula procariotica (10x). Possiede

una membrana citoplasmatica o plasmalemma che permette il mantenimento di un ambiente

interno diverso. Il più grosso organello è il nucleo dove è racchiuso il patrimonio genetico.

All’interno della membrana troviamo il citoplasma, formato dal citosol (soluzione in cui

sono immersi i vari organuli). La cellula eucariotica presenta un citoscheletro, struttura

mobile che conferisce alla cellula una forma, solidità, mantenimento e permette di

raggiungere delle dimensioni maggiori.

Presenta dei flagelli e ciglia che permettono

il movimento e l’alimentazione. La terza

differenza rispetto alla cellula procariote è

che è un sistema di membrane: possiede un

apparato endomembranoso che divide in

tanti compartimenti il citoplasma. La cellula

eucariote può essere vegetale o animale e la

differenza sta nella presenza di diversi

organuli. Per esempio nella cellula animale

non troviamo: cloroplasti, vacuoli, parete,

plasmodesmi. 3

Nucleo

Contiene l’informazione genetica, sotto forma di cromatina, insieme al nucleolo. Il nucleo è

strettamente unito al reticolo endoplasmatico ed è circondato da un involucro nucleare. La

membrana è formata da un doppio strato che presenta dei buchi, pori nucleari, (complesso

del poro: formati da proteine, delimitato da anelli di particelle proteiche) permette il

passaggio di sostanze. Ogni complesso del poro comprende 8 proteine conformate come

organuli allungati, disposti intorno all’apertura. Attraverso i pori si ha un passaggio di

proteine dal citoplasma al nucleoplasma e di RNA dal nucleoplasma al citoplasma. Dove non

sono presenti c’è la lamina nucleare che delimita la superficie interna dell’involucro ed è

formata da un intreccio di filamenti che danno sostegno alla membrana e interagisce con la

cromatina. Il nucleo è l'organulo più voluminoso, delimitato da un sistema di membrane

doppio, dove troviamo una cisterna nucleare. In alcuni punti l’involucro nucleare è connesso

con il RE. Contiene la cromatina ( dna e proteine) o i cromosomi, si fa una distinzione tra la

cromatina dispersa (eurocromatina) e quella compatta (eterocromatina). La cromatina porta

alla formazione dei cromosomi: al momento

della divisione cellulare la cromatina si

condensa. Il cromosoma è il supporto dei geni:

ogni cromosoma è costituito da due cromatidi

fratelli, che contengono copie identiche della

molecola, uniti da un centromero. Il cariotipo

umano (corredo cromosomico umano) è

l'insieme dei 46 cromosomi umani. Ogni specie

ha un cromosoma diverso, i moscerini hanno 8

cromosomi. Sempre pari, perché vanno a coppie.

Il cariotipo umano è formato da 44 autosomi (22

coppie), detti omologhi perché uguali due a due

e una coppia definiti eterocromosomi,

cromosomi sessuali, cromosoma X e Y.

Il nucleolo è una struttura specializzata che

contiene i geni responsabili della sintesi dei ribosomi (RNA+ proteine). L’RNA ribosomiale si

forma all’interno del nucleolo. Unione con RNA e proteine citoplasmatiche e questo

complesso porta alla formazione di subunitá che formeranno i ribosomi. Queste subunità 4

transitano verso i pori nucleari unendosi a due a due ( piccola grande) formano i ribosomi.

Delle volte questo nucleolo viene spesso digerito da enzimi in determinate fasi del ciclo

cellulari e poi ricostituito.

Ribosomi

Sono gli organuli deputati alla sintesi proteica, costituiti da RNA ribosomiale e proteine di

oltre 50 categorie e si trovano nel citoplasma o associati al reticolo endoplasmatico o

all’interno dei mitocondri. Formati da una subunità maggiore e minore. I ribosomi legati al

RE oppure liberi danno origine a proteine diverse, in particolare quelli legati al RE

producono proteine da secrezione (secrete all’esterno), i ribosomi liberi producono proteine

utilizzate all’interno della stessa cellula, come ad esempio gli enzimi che catalizzano la

scissione degli zuccheri. Al confine tra la subunità maggiore e minore si aggancia il RNA

messaggero. Alla subunità maggiore si lega il tRNA che si porta gli amminoacidi che si

collegheranno formando la catena polipeptidica. Sul sito P si lega il primo amminoacido e

nel sito A il successivo.

Sistema endomembranoso

Molte membrane sono connesse tra loro per continuità fisica o per il trasporto di vacuoli o

vescicole rivestiti da porzioni di membrane. Formato dall’involucro nucleare, membrana

citoplasmatica, RE, apparato di golgi, lisosomi e vacuoli e vescicole ( strutture endocellulari

cave delimitate da membrana che si dividono in alimentari e contrattili, che servono alla

osmoregolazione).

Reticolo endoplasmatico

Formato da membrane, può essere di due tipi: reticolo endoplasmatico rugoso e reticolo

endoplasmatico liscio ( non possiede ribosomi addossati). Costituisce oltre la metà delle

membrane interne e svolge molte attività metaboliche. I ribosomi del RER sintetizzano le

proteine di secrezione e sono la sede della sintesi delle proteine destinate all’esterno o alla

membrana, trasferite grazie a vescicole di trasporto e è la sede della produzione di

membrane destinate alla cellula. Nel REL sono prodotti i lipidi (fosfolipidi), metabolizza gli

steroidi e i carboidrati (carboidrati e glicogeno), vengono degradati scorie metaboliche e

sostanze tossiche ( farmaci, alcool droghe). 5

Apparato del Golgi

Sede di ricezioni, elaborazione e spedizione di vari prodotti cellulari in sede della cellula o

fuori. La membrana si ripiega su di sé formando delle cisterne, detti ditosomi (assomigliano

a delle dita). Ha una faccia ricevente (faccia cis) dove arrivano le vescicole del RE e la faccia

dove vengono rilasciate é detta faccia trans ( di rilascio). Queste cisterne si muovono e

possono essere riformate. Le vescicole contenenti proteine gemmano dal RER trasferendo

queste vescicole all’apparato di Golgi, dove si fondono con la regione cis del ditosoma.

L’apparato di Golgi modifica chimicamente tali vescicole nel suo lume, “etichettandole”,

affinché pervengano alla loro funzione.

Lisosomi (corpi litici)

Corpi che portano gli enzimi digestivi e quindi sono la sede della digestione intracellulare.

Sono dei sacchi membranosi al cui interno sono contenuti enzimi idrolitici a Ph acido. Ci

sono enzimi digestivi specifici per ogni tipo di macromolecola, scindono per riciclare oppure

scindono sostanze ingerite dalla cellula mediante fagocitosi.

Mitocondri

Sede della respirazione cellulare, principali trasformatori di energia e motori della cellula

animale. Posso essere presenti in grande numero (nei gameti maschili hanno una zona

stracolma di mitocondri). Presentano due membrane che

non fanno parte dell’apparato endomembranoso perché

non servono alla compartizione: membrana esterna e

membrana interna che si solleva nelle creste (

infossamenti), in mezzo abbiamo la matrice mitocondriale.

Alcune tappe della respirazione avvengono nella matrice

mente altre del citoplasma.

Citoscheletro

É un complesso dinamico di strutture sottili e lunghe in grado di stabilizzare la forma della

cellula, pur consentendo l’attuazione di movimenti cellulari ( utilizza l’apporto di proteine

motrici). Molto sviluppato nella cellula animale che è sprovvista di parete cellulare. É

formato da diversi elementi di diverso calibro: microfilamenti, microtubuli, filamenti

intermedi. I microfilamenti sono formati da due filamenti di actina intrecciati tra loro. 6

Possono presentarsi singolarmente, in fasci o in reti tridimensionalmente. Stabilizzano la

forma cellulare e contribuiscono alla contrazione cellulare ( dopo la mitosi dove le cellule si

devono scindere), servono alla migrazione di organuli, formazioni di correnti

citoplasmatiche, citodieresi. I microfilamenti di actina e miosina sono responsabili della

contrazione muscolare.

I microtubuli sono detti dimeri di tubulina: formati da una doppia struttura ad elica della

proteina tubulina. Hanno una polarità strutturale: abbiamo un polo positivo, (che cresce) si

vanno ad aggiungere, a seconda delle necessità, dimeri di tubulina, mentre il polo negativo si

vanno a togliere. Variando la loro lunghezza possono modificare la forma della cellula e sono

anche importanti nella mitosi, importanti nel fuso mitotico, nelle ciglia, flagelli e centrioli.

Ci sono due tipi di tubulina, alfa e beta che si accoppiano per la formazione di questi dimeri.

I filamenti intermedi sono formati da strutture fibrillari che si assemblano in strutture

intrecciate con spiccate caratteristiche meccaniche. Costituiti da filamenti di cheratine e

sono strutture di sostegno. La cellula non ha la parete esterna quindi la presenza del

citoscheletro è importante. Vanno anche a stabilizzare la posizione degli organuli nel

citoplasma, partecipazione alla costituzione dei desmosomi (giunzioni cellulari) e della

lamina nucleare. Sono più numerosi dove c’è stress meccanico ( deve contrastare forze

meccaniche esterne che variano la sua forma). Contribuiscono a stabilizzare l'architettura e

la forma della cellula.

Ciglia e flagelli

Responsabili del movimento nelle cellule ma anche di animali nel loro complesso. Hanno la

stessa struttura di base (9+2: 9 coppie di microtubuli esterne + 2 interne) anche se sono

organuli diversi. La motilità avviene grazie a delle proteine motrici che attraverso l’utilizzo

dell’ATP, fanno scorrere i microtubuli che sono collegati da un gancio formato dalla dineina.

Le braccia di dineina muovono i microtubuli formando e rompendo i legami con i

microtubuli adiacenti. Le ciglia battono un movimento avanti-indietro, che fa muovere le

cellule perpendicolarmente all’asse del ciglio. Sono presenti in grande quantità sulla

superficie della cellula. Sono in numero diverso: le ciglia (appartengono a un gruppo di

protisti chiamati cigliati) possono essere abbondanti e la modalità delle ciglia sul corpo

ciliare può essere importante per la classificazione scientifica. I flagelli (protisti chiamati

flagellati) invece (spermatozoi) sono presenti in minor quantità rispetto alle ciglia. Il flagello

ha un movimento serpentiforme e va in avanti ed indietro. I centrioli originano le ciglia e i

flagelli e sono i centri di organizzazione dei microtubuli del fuso mitotico. Il centrioli si

formano nel centrosoma, anche loro formati dà microtubuli. 7

Matrice extracellulare

Gel di carboidrati e proteine fibrose, dove sono immerse le cellule. Svolge funzioni di

sostegno, adesione e regolazione ( può entrare nella comunicazione tra cellule). Coordina

tutte le cellule che formano un determinato tessuto. Formato da lunghe fibre di collagene,

Proteoglicani (complessi molecolari connessi da legami non covalenti a lunghe catene di

polisaccaridi), fibronectine (attacca la matrice extracellulare alla membrana plasmatica),

integrine (proteine legate ai microtubuli del citoscheletro e questo legame può trasmettere

stimoli tra l’esterno e l’interno della cellula).

Giunzioni cellulari

Uniscono le cellule. Ci sono di tre tipi:

serrate o occludenti: limitano o impediscono il

1.​ passaggio di sostanza nello spazio intracellulare ed

impediscono la dispersione del fluido extracellulare. Si

formano in punti di contatto tra due cellule.

Desmosomi (giunzioni di ancoraggio) : determinano una

2.​ stretta adesione tra cellule, ogni strato è ancorato a

quello sottostante. Sono rinforzati da fascetta di

filamenti intermedi formati da cheratina.

Giunzioni comunicanti ( Gap): mettono in

3.​ comunicazione il citoplasma di cellule adiacenti.

Formati da proteina formano un canale che permette lo

scambio di ioni e piccole molecole tra il citoplasma di cellule differenti.

Ciclo cellulare eucariotico

Il ciclo cellulare di una cellula inizia con una cellula genitrici che va incontro a mitosi:

formata da diverse fasi (divisione fisica). L’interfase costituisce circa il 90% della vita di una

cellula. Si distingue in 3 intervalli con la stessa durata, definite G1, G2, S (G significa GAP =

intervallo). La G1 è una fase di riassetto (abbiamo anche la sintesi di enzimi che serviranno

per la duplicazione del DNA), di accrescimento, di preparazione per entrare nella fase S, cioè

la fase in cui si ha la duplicazione del DNA. La G2 la cellula si prepara invece alla mitosi, per

esempio si forma il fuso mitotico (sintesi dei microtubuli). Ci sono delle cellule che restano

generalmente in uno stato chiamato G0, come i neuroni o le cellule del fegato, che non si

dividono. Infine abbiamo la citodieresi cioè la divisione fisica della cellula. 8

Cromosomi

DNA + proteine specifiche che interagiscono con il dna. Formati da due cromatidi fratelli

uniti a livello del centromero. È costituito da dna altamente ripetuto rappresentato da una

serie di ripetizioni in tandem di dna. Durante la divisione cellulare le sequenze

centromeriche. Di solito possono assumere posizioni diverse il centromero, non per forma al

centro. Abbiamo un braccio p un braccio q. Agli estremi si trovano telomeri, ed hanno il

compito che non vengano la replicazione delle estremità.

Il dna si trova compattato sotto forma di cromatina permesso da degli istoni (formato da 8

subunità) che formano il nucleosoma. La condensazione della cromatina avviene così: grazie

all'interazione tra il tetramero istonico si forma la cosiddetta collana di perle (lunghezza di

11 nm). Grazie all’istone H1 il dna si condensa ulteriormente in una specie di spirale. Grazie

a questa struttura diminuisce la lunghezza ed è possibile essere contenuta all’interno del

nucleo. Poi con le proteine dell’ impalcatura abbiamo un’ulteriore condensazione formano

una struttura (300 nm). Abbiamo poi la formazione di un cromatide (700 nm) che entra nella

mitosi é forma il cromosoma intero (1400 nm). I telomeri si trovano all’estremità e si

replicano grazie alla telomerasi. Hanno delle serie brevi e ripetute. L’uomo ha T2AG3.

Il centromero è la regione del cromosoma in cui i cromatidi sono a stretto contatto